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該系列文章將討論智能手機鏡頭模組設計的挑戰(zhàn)，從概念和設計到制造和結構變形分析。本文是四部分系列中的第四部分，它涵蓋了相機鏡頭的顯式動態(tài)模擬，以及對光學性能的影響。使用 Ansys Mechanical 和 LS - DYNA 對相機在地板上的一系列沖擊和彈跳過程進行顯式動力學模擬，其中 LS - DYNA 用于解決跌落物理問題，然后通過 STAR 工具將其導入Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，進而研究對光學性能產(chǎn)生的影響。

Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 1 部分：光學設計

Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：光機械封裝

Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析

介紹

Ansys LS-DYNA (LS-DYNA)與本系列文章前面部分的Ansys工具（Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench）一起，可以將仿真工作流擴展為顯式動力學，LS-DYNA 廣泛用于各種分析，它的核心能力之一是顯式動態(tài)。Ansys LS-DYNA適用于分析涉及接觸、大變形、非線性材料、瞬態(tài)響應和/或需要顯式解決方案的問題。

LS - DYNA Workbench 系統(tǒng)（WB LS - DYNA）允許用戶使用 LS - DYNA 求解器對模型進行顯式動力學分析。雖然它允許在一個環(huán)境中進行預處理、求解和后處理，但該工作流需要結合使用 WB LS - DYNA 和 LS Prep - Post 進行高級后處理。

與本系列文章的第3部分“Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析”類似，本部分也使用 Ansys Mechanical 生成 FEA 數(shù)據(jù)集。然而，第3部分的重點是使用 STAR 工具和 ZOS API 自動導入有限元分析數(shù)據(jù)，而第4部分的重點是生成顯式動力學結果，并在 Ansys Zemax 中查看光學性能。這兩個工作流程都需要 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 中的 STAR 工具來處理 FEA 變形。

簡介

LS-DYNA具有顯式動力學的有限元分析。

手機攝像頭的光機系統(tǒng)（光機設計見第 2 部分）被加載到 Ansys Workbench 中，并導入到 LS - DYNA 分析系統(tǒng)中。為了使碰撞模擬更真實，攝像頭系統(tǒng)被放置在一個更大的機身內(nèi)，該機身具有常見智能手機設備的尺寸和形狀。

模擬包含攝像頭系統(tǒng)掉落在平坦表面上的瞬態(tài)序列。平坦表面（可能是地板）在上面的圖像中被標記為紅色，并被設置為固定支撐。固定支撐是一種邊界條件，可防止選定的幾何圖形或網(wǎng)格實體移動或變形。

假設物體從靜止狀態(tài)(初速度= 0)落下，僅因重力下落，那么撞擊時的速度可以用以下公式計算:

其中，v=沖擊速度，g =重力加速度（9.8 m/s2），h = 攝像機系統(tǒng)落下的高度。假設帶有攝像系統(tǒng)的手機從1.5米的高度(大約相當于一個普通人的手的高度)掉落，撞擊速度為

這導致整個手機產(chǎn)生以下初始變形:

以及透鏡本身的以下變形:

· 請注意，出于演示目的，視覺變形已按比例放大。

為了分析此跌落測試對光學性能的影響，需要單個透鏡的變形數(shù)據(jù)集。為了提取數(shù)據(jù)集，為每個透鏡面創(chuàng)建一個命名選擇。在 WB - LSDYNA 中求解模擬后，在 LS - PrePost 中讀取輸入文件和結果。LS - PrePost 是 LS - DYNA 的專用前后處理工具。在 LS - PrePost 中，運行一個腳本來將特定面（在命名選擇中定義）的變形導出為正確的格式，以便可以通過 STAR 工具將它們導入到 Ansys Zemax OpticStudio 中。

模擬涉及兩個步驟，并且從兩個步驟中都導出變形數(shù)據(jù)集：

· 沖擊分析：這是模擬時間的 0 - 0.1ms，即沖擊發(fā)生時。

· 沖擊后分析：這是沖擊狀態(tài)后 1 秒，此時允許振動衰減以避免變形中出現(xiàn)任何不必要的噪聲。

將 FEA 數(shù)據(jù)加載到 Ansys Zemax OpticStudio 中

在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 數(shù)據(jù)集后，現(xiàn)在可以將它們加載到 OpticStudio 中。如本系列文章第 1 部分所述，名義上的手機攝像頭系統(tǒng)已在 OpticStudio 中設計并優(yōu)化了性能。透鏡系統(tǒng)本身的設計基于一項專利，包含五個主要的非球面透鏡：

為了分析和比較手機攝像頭在三種主要狀態(tài)（沖擊、沖擊后和名義）下的性能，通過 OpticStudio 主窗口頂部 STAR 選項卡中的多物理場數(shù)據(jù)加載器導入 FEA 數(shù)據(jù)集。

對于代表透鏡或光學組件物理表面的每個表面，分配一個 “Surface_deformation” 數(shù)據(jù)集。由于自從 OpticStudio 導出名義幾何形狀以來坐標系沒有改變，因此為特定表面對齊數(shù)據(jù)集并設置為全局坐標系。如果不是這種情況，可以將坐標系更改為局部坐標系，或者可以應用用戶定義的變換。在將數(shù)據(jù)集分配給表面后，可以通過單擊 “OK（Fit Multiphysics Data）” 加載和擬合數(shù)據(jù)集。

分析不同狀態(tài)下的光學性能

加載和擬合多物理場數(shù)據(jù)后，現(xiàn)在可以分析不同狀態(tài)的性能，更重要的是進行比較。由于這是一個手機攝像頭系統(tǒng)，在性能分析過程中有一些分析工具可供使用。在這種情況下，使用以下分析工具進行分析和比較：

· 圖像模擬 - 此功能通過將源位圖文件與一組 PSF進行卷積來模擬圖像的形成?？紤]的效果包括衍射、像差、畸變、相對照明、圖像方向和偏振。

· 波前圖 - 顯示光瞳上的波前差。

· STAR System Viewer - 顯示由于擬合的多物理場數(shù)據(jù)而導致的表面變形和光學屬性變化的系統(tǒng)范圍視圖。

名義系統(tǒng)狀態(tài)

由于透鏡系統(tǒng)已經(jīng)針對這種狀態(tài)進行了優(yōu)化，所以圖像模擬的質量非常好。波前誤差是旋轉對稱的，最大誤差為0.225波。沒有顯示變形，因為此時沒有應用多物理數(shù)據(jù)。這將作為基線和性能的“理想”狀態(tài)。

沖擊狀態(tài)

當加載來自沖擊狀態(tài)的數(shù)據(jù)集時，可以清楚地看到相機系統(tǒng)的性能可以被視為不可用。變形如此之大，以至于圖像模擬和波前映射的結果可以稱為“過時數(shù)據(jù)”。有趣的是，可以在 STAR System Viewer 中看到透鏡系統(tǒng)的變形大小。平均變形約為 0.33 毫米，對于光學系統(tǒng)來說形變尺度過大了，無法執(zhí)行并產(chǎn)生任何重要的結果。

OpticStudio 中 STAR 工具的一大優(yōu)勢是您可以將剛體運動的影響與表面變形的影響解耦。這可以通過 Structural Data Summary 中的簡單復選框來完成，并且可以隨時打開或關閉。在下面的動態(tài)圖中，從完整的變形數(shù)據(jù)開始，首先禁用剛體運動RBM 部分，然后一起忽略變形效果：

在上面顯示的分析結果中，包括 RBM。下面顯示了相同的分析，但這次排除了 RBM。這使您能夠觀察到高階變形，這在光學分析過程中非常重要。STAR System Viewer 現(xiàn)在顯示的平均變形幅度約為 0.025 毫米，這導致波前誤差約為 40 個波長，而標稱性能的波前誤差約為 1/4 波長，這仍然表明存在嚴重的光學像差。如此大的波前誤差會導致圖像質量高度下降，這在圖像模擬中可以看到。

· 聯(lián)系工作人員了解關于 RBM 變形和高階變形比較的更多信息

沖擊后狀態(tài)

沖擊后狀態(tài)的結果如下所示。

查看 STAR System Viewer 的變形矢量，仍然有趣的是，在一些鏡頭的邊緣區(qū)域仍然存在約 0.025mm 的變形幅度。然而，可以清楚地看到，最后一個鏡頭（即紅外濾光片）的幅度顯著下降。這導致性能仍然明顯低于名義狀態(tài)，但會導致更有效的結果。波前圖顯示誤差約為 ± 15 個波，這仍然遠遠超過這種光學系統(tǒng)的可接受限度。圖像模擬顯示了鏡頭變形與相機系統(tǒng)中可能發(fā)生的失真和像差之間的直接聯(lián)系。該物體是可識別的，但非常模糊。

結論

本系列文章的第 4 部分展示了如何在 Ansys Workbench 中使用 Ansys LS - DYNA 模擬手機攝像頭模塊的跌落測試的顯式動力學。使用 Ansys Mechanical 提取了沖擊和沖擊后狀態(tài)的變形數(shù)據(jù)集并進行處理，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中使用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，可以通過 STAR 模塊加載 FEA 數(shù)據(jù)集并將其分配給光學系統(tǒng)。這樣，光學工程師可以研究和比較光學系統(tǒng)在沖擊和沖擊后狀態(tài)變形影響下的性能。

后續(xù)步驟

在這個示例中，我們分析了跌落測試中的光學性能。同樣 LS-DYNA- Mechanical - Zemax 工作流程還可以應用于研究振動或累積沖擊等其他領域。